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- const uint16_t seg_code[17]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x00};
同时设一个四字节的显示缓存，分别对应数码管的四个8字，后续我们只需要往显示缓存里送数据，数码管就能显示对应的数字，这里我们初始化时，让他默认显示四个8字作为开机动画，可以作为检测数码管或者电路是否有问题的一个自检程序。
- uint8_t disp_buff[4]={seg_code[8],seg_code[8],seg_code[8],seg_code[8]};
接下来，我们让数码管的4个位选轮流导通，每位导通时，把显示缓存对应位的段码点亮，对应的操作为直接给PC端口的输出寄存器赋值就可以了，这里我们在每次操作之前先清零，这样能消除残影，程序结构上采用了switch case结构，用curindex变量来切换状态。
- void Seg_Disp(){
- switch (curindex) {
- case 0:
- GPIOC->OUTDR=0;
- digitalWrite(PD0, 1);
- digitalWrite(PD1, 0);
- digitalWrite(PD2, 0);
- digitalWrite(PD3, 0);
- GPIOC->OUTDR=disp_buff[0];
- curindex = 1;
- break;
- case 1:
- GPIOC->OUTDR=0;
- digitalWrite(PD0, 0);
- digitalWrite(PD1, 1);
- digitalWrite(PD2, 0);
- digitalWrite(PD3, 0);
- GPIOC->OUTDR=disp_buff[1];
- curindex = 2;
- break;
- case 2:
- GPIOC->OUTDR=0;
- digitalWrite(PD0, 0);
- digitalWrite(PD1, 0);
- digitalWrite(PD2, 1);
- digitalWrite(PD3, 0);
- GPIOC->OUTDR=disp_buff[2];
- curindex = 3;
- break;
- case 3:
- GPIOC->OUTDR=0;
- digitalWrite(PD0, 0);
- digitalWrite(PD1, 0);
- digitalWrite(PD2, 0);
- digitalWrite(PD3, 1);
- GPIOC->OUTDR=disp_buff[3];
- curindex = 0;
- break;
- default:
- break;
- }
- }
显示的扫描程序，我们要让它定时执行，就能完成数码管的正常显示，这里我们配置定时器2为1毫秒的定时周期。
- TIM_attachInterrupt(TIM2, 1000, TIM_attachInterrupt_2);
- void TIM_attachInterrupt_2() {
- Seg_Disp();
- }
这样我们完成了显示部分底层驱动，后续我们只需要往显示缓存送数据，数码管就显示对应的数据。
4.2 RTC时钟模块的设置和读取
PCF8563时钟芯片采用I2C通讯，I2C地址读地址为0xA3，写地址为0xA2。通过芯片手册，我们可以看到如下寄存器说明：
其中表4为控制相关设置寄存器，表5为时间数据寄存器，其中存储格式为BCD码，所以我们在操作时需要做相应的格式转换处理。
这里我们把RTC部分的驱动代码做成了一个专门的类库，里面具体实现可以在源代码里查看，现在我们只需要关心如下几个函数：
我们通过PCF8563类申明一个pcf8563对象，设置PD7为SDA引脚，PD4为SCL引脚。
- PCF8563 pcf8563(PD7,PD4);
通过setDateTime()函数来设置年、月、日、星期、时、分、秒。
- void setDateTime(uint16_t year, uint8_t month, uint8_t day, uint8_t weekday,
- uint8_t hour,uint8_t minute, uint8_t sec);
通过getDateTime()函数一次性获取年、月、日、星期、时、分、秒数据到内部缓存里，
再通过对应的函数来获取对应时间数据。
- uint8_t getMinute(); //获取分钟
- uint8_t getHour(); //获取小时
- uint8_t getDay(); //获取日期
- uint8_t getMonth(); //获取月
- uint16_t getYear(); //获取年
有关闹钟的函数，通过setAlarm()来设置时间，如果输入参数为99，则无效。
- void setAlarm(uint8_t min, uint8_t hour, uint8_t day, uint8_t weekday);
通过alarmActive()来查询闹钟时间是否到达。
- bool alarmActive(); // true if alarm is active (going off)
判断到闹钟时间到了后，通过clearAlarm()来清除报警状态。
- void clearAlarm(); /* clear alarm flag and interrupt */
4.3 按键的长短按扫描程序
我们前面学过用延迟的办法来做按键消抖处理，但是在复杂的系统里，程序里的延迟函数会阻塞程序运行，如果在这个过程中有其他需要及时处理的事件，实时性上就有问题。所以我们在复杂系统里，按键消抖常用定时器来处理，同时还可以做到长按、短按等功能。整个按键扫描程序流程图如下：
前面我们的Seg_Disp()数码管扫描函数放在了周期为1ms的定时器2的回调函数里，而我们的按键扫描函数需要10ms周期，这种情况下，我们一般不会再去单独设置一个10ms的定时器来处理，因为单片机中的定时器资源十分有限且宝贵。我们可以通过程序来让一个定时器产生一个时间基准，这里我们用一个my_1ms变量来作为时间计数器，然后通过取余运算就可以实现自定义周期执行指定任务。
- void TIM_attachInterrupt_2()
- {
- my_1ms++;
- if(my_1ms % 10 == 0) //每10ms运行一次
- {
- Key_Scan();
- }
- Seg_Disp();
- }
根据需求定义短按时间范围为10ms到1000ms之间, 长按时间为大于1000ms。按键扫描周期为10ms，刚好跳过抖动；使用状态机方式，扫描单个按键，状态机使用switch case语句实现状态之间的跳转，lock变量用于判断是否是第一次进行按键确认状态，长按键事件到时执行，短按键事件释放后才执行。主要代码如下：
4.4 日常显示模式的设计
日常显示模式下，我们需要的效果是年、月日、时分三个界面轮流显示，我们通过宏定义定义三个界面的显示时长，这里我们让时分界面显示的稍微长一点，因为时间是一直在变的，用户关注的多。
- #define DISP_YEAR_TIME_OUT 2000 //年显示2秒
- #define DISP_DATE_TIME_OUT 2000 //日期显示2秒
- #define DISP_TIME_TIME_OUT 5000 //时间显示5秒
让数码管显示对应的数据，我们前面已经说过，只需要往显示缓存disp_buff[4]里送对应的数据就可以了，这里时间数据通过getDateTime()函数来读取，在通过取余和除法运算获取对应位上的数字就可以。
接下来要实现轮流显示，最简单的就是延迟，但前面我们说过，延迟要阻塞任务处理，按键扫描我们用定时器来处理，这里我们用millis()函数来实现，millis()会返回系统上电以来的运行时间，单位为毫秒，这个其实和我们的my_1ms变量是同样的原理。相应还有一个micros()函数，也是返回运行时间，不过单位为微秒。
我们可以通过如下这种程序结构来实现，当延时时间到达后处理对应的任务，而不阻塞系统。
- disp_time_cnt = millis();
- if((millis() - disp_time_cnt)>DISP_TIME_TIME_OUT)
- {
- //fun()
- }
这里我们使用switch case结构实现三个界面的轮流跳转。完整代码如下：
- void Normal_Disp_Proc()
- {
- switch (disp_state)
- {
- case TIME_TO_DISP_YEAR:
- if((millis() - disp_time_cnt)>DISP_TIME_TIME_OUT)
- {
- pcf8563.getDateTime();
- disp_buff[0] = seg_code[((pcf8563.getYear()) / 1000)];
- disp_buff[1] = seg_code[(((pcf8563.getYear()) % 1000) / 100)];
- disp_buff[2] = seg_code[(((pcf8563.getYear()) % 100) / 10)];
- disp_buff[3] = seg_code[((pcf8563.getYear()) % 10)];
- disp_year_cnt = millis();
- disp_state = TIME_TO_DISP_DATE;
- }
- break;
- case TIME_TO_DISP_DATE:
- if((millis() - disp_year_cnt)>DISP_YEAR_TIME_OUT)
- {
- pcf8563.getDateTime();
- disp_buff[0] = seg_code[((pcf8563.getMonth()) / 10)];
- disp_buff[1] = seg_code[((pcf8563.getMonth()) % 10)];
- disp_buff[2] = seg_code[((pcf8563.getDay()) / 10)];
- disp_buff[3] = seg_code[((pcf8563.getDay()) % 10)];
- disp_date_cnt = millis();
- disp_state = TIME_TO_DISP_TIME;
- }
- break;
- case TIME_TO_DISP_TIME:
- if((millis() - disp_date_cnt)>DISP_DATE_TIME_OUT)
- {
- pcf8563.getDateTime();
- disp_buff[0] = seg_code[((pcf8563.getHour()) / 10)];
- disp_buff[1] = seg_code[((pcf8563.getHour()) % 10)];
- disp_buff[2] = seg_code[((pcf8563.getMinute()) / 10)];
- disp_buff[3] = seg_code[((pcf8563.getMinute()) % 10)];
- disp_time_cnt = millis();
- disp_state = TIME_TO_DISP_YEAR;
- }
- break;
-
- default:
- break;
- }
- }
4.5 设置显示模式的设计
设置时间时，我们需要让数码管闪烁显示，和正常显示区别开来，要实现闪烁，也就是先正常显示相应的数据，等待一段时间后熄灭，再等待一段时间后再显示。
数码管熄灭，我们可以让显示缓存disp_buff[4]的对应数据位seg_code[16]就可以。要实现闪烁，这里我们也不能用延迟，我们可以用一个闪烁标志位blink_flag来实现。在定时器2的中断回调函数里，每隔500ms，blink_flag会切换状态，实现0，1来回切换。代码如下：
- void TIM_attachInterrupt_2()
- {
- my_1ms = my_1ms + 1;
- if(my_1ms % 10 == 0)//每10ms运行一次
- {
- Key_Scan();
- }
- if(my_1ms % 500 == 0){
- blink_flag = (blink_flag^1);
- }
-
- Seg_Disp();
- }
设置界面里有设置年、月、日、时、分、闹钟时、闹钟分，7种模式，所以我们这里用一个mode变量来表示，其中mode=0表示为日常显示模式。
主要程序如下所示，完整程序可以查看源代码。
- switch (mode)
- {
- case 1:
- if(blink_flag)
- {
- disp_buff[0] = seg_code[((setyear) / 1000)];
- disp_buff[1] = seg_code[((setyear % 1000) / 100)];
- disp_buff[2] = seg_code[((setyear % 100) / 10)];
- disp_buff[3] = seg_code[((setyear) % 10)];
- }
- else
- {
- disp_buff[0] = seg_code[16];
- disp_buff[1] = seg_code[16];
- disp_buff[2] = seg_code[16];
- disp_buff[3] = seg_code[16];
- }
- break;
4.6 按键应用层功能的设计
按键部分，我们定义长按为进入时间设置界面，每次长按，切换到下一个设置显示模式下，短按为调整时间，每次短按，数值递增，到达最大值后，返回到最小值继续开始递增。
所以如果检测到长按，就是切换mode模式状态变量，退出设置模式时，保存相关的时间到RTC里，代码如下：
- case LONG_KEY:
- mode++;
- if(mode>7)
- {
- mode = 0;
- //保存设置时间，设置RTC
- pcf8563.setDateTime(setyear, setmonth, setday, 0,sethour, setminute, 0); //设置日期和时间
-
- //24:60为闹钟不启用
- pcf8563.setAlarm(setalarmminute,setalarmhour,99,99);
- }
- g_KeyActionFlag = NULL_KEY;
- break;
短按就是要先判断当前在哪个模式下，然后设置对应的设置时间变量数值，设置的时候要注意时间的范围限定，尤其是月份和日期的范围。如下是部分代码，完整代码请查看源代码。
- case SHORT_KEY:
- switch (mode) {
- case 1:
- setyear++;
- if(setyear > 2033)
- {
- setyear = 2023;
- }
- break;
- case 2:
- setmonth++;
- if(setmonth > 12)
- {
- setmonth = 1;
- }
- break;
- case 3:
- setday++;
- if((setmonth == 1)||(setmonth == 3)||(setmonth == 5)||(setmonth == 7)||(setmonth == 8)||(setmonth == 10)||(setmonth == 12))
- {
- if(setday > 31)
- {
- setday = 1;
- }
- }
- else if(setmonth == 2)
- {
- if(setyear % 4)
- {
- if(setday > 28)
- {
- setday = 1;
- }
- }
- else //闰年
- {
- if(setday > 29)
- {
- setday = 1;
- }
- }
- }
- else
- {
- if(setday > 30)
- {
- setday = 1;
- }
- }
- break;
4.7 按键提示音和闹铃声的设计
按键提示音，可以用PWM控制无源蜂鸣器发出短暂的声音，自己可以通过修改PWM频率实现不同的音调。我们把这部分函数放到按键事件里，就可以实现按键提示音，代码如下：
- void Beep()
- {
- PWM_Init(TIM1_CH2, PA1, 5000, 20);
- delay(50);
- PWM_Duty_Updata(TIM1_CH2, 0);
- }
闹铃声音，可以自己根据歌曲的乐谱生成对应的音调和节拍数据，然后通过PWM来实现蜂鸣器播放歌曲。
- const uint16_t song[]={330,294,330,441,330,294,330,495,330,294,330,525,495,393,330,294,330,441,330,294,330,495,393,294,248,330,294,330,441,330,294,330,495,330,294,330,525,495,393,294,330,221,294,330,221,196,221,262,248};
- const uint16_t durt[]={250,250,250,250,250,250,250,250,250,250,250,250,500,500, 250,250,250,250,250,250,250,250, 500,500,1000, 250,250,250,250,250,250,250,250, 250,250,250,250,500,500, 250,250,500,250,250,250,250,500,500,1000, 250,250,250,250,250,250,250,125,125, 750,250,1000, 250,250,250,250,250,250,500,500,1500, 250,250,250,250,250,250,250,125,125, 750,250,1000, 250,250,500,250,250,250,250,1500, 250,250,750,250,500,250,250, 750,250,500,250,250,500,250,250,250,250,500,500,1000, 250,250,875,125,500,250,250,500,500,1000, 250,250,500,250,250,250,250,1500, 250,250,750,250,500,250,250, 500,250,250,500,250,250,500,250,250,250,250,250,250,1500, 250,250,750,250,500,250,250, 500,250,250,1000,250,250,500,250,250,250,250,2000};
另外，我们还要实现闹铃响了以后，需要用户按下按钮，才能停止播放，不然闹铃一直在播放，所以在整个播放闹铃歌曲时，要一直判断按键是否被按下。代码如下：
- void Alarm_Beep(){
- if(pcf8563.alarmActive()){
- pcf8563.clearAlarm();
- while (digitalRead(PA2)) {
- pinMode(PA1, GPIO_Mode_AF_PP);
- for (int i = (0); i < (sizeof(song)/sizeof(song[0])); i = i + 1) {
- PWM_Frequency_Updata(TIM1_CH2, song[(i)], 20);
- delay(durt[(i)]);
- if(digitalRead(PA2) == 0){
- break;
- }
- }
- }
- }
- }
五、 结构设计
5.1 设计思路整体采用最简约的设计风格，背后只留出按键孔和声音孔，侧面留出USB接口，把电池和模块整个包进去，这里只有按键柄长度和电池厚度需要权衡选择。
5.2 三维建模采用Solidworks根据尺寸要求设计整个外壳，有能力还可以同时建整个电路模块和电池的三维模型，可以做整体的装配体来确认各个部件尺寸上是否有干涉。
5.3 打印测试三维模型设计完后，导出STL格式的3D打印文件，用3D打印机配套的切片软件加载模型，调整好打印角度，设置相关打印参数后，可以在软件中模拟打印，确认打印设置有没有问题，没问题后实际打印测试。
六、 项目优化
在功能上，还可以加入倒计时功能，闹铃类型选择，如果有多余引脚还可以加入电池电量监测和提醒功能。另外，数码管目前显示时整机工作电流为16mA，熄灭的时候整机工作电流为7mA，我们的锂电池容量为200mAh，也就是迷你时钟一直显示的工作时长差不多为12小时，这样续航时间上还是不满意，要延长续航时间可以从两方面来入手。第一种，加大电池容量，但整体的体积也变大。第二种，降低整机系统功耗，目前主要一直显示时间导致系统耗电大，后期可以通过软件加入息屏功能，然后进入低功耗模式，唤醒可以通过按键来唤醒。如果有多余引脚还可以通过震动或者声音来唤醒。
楼主
